Nanoparçacık Katkılı İnce Boşluklu Fiber Ultrafiltrasyon Membranların Üretimi ve Performans Açısından Değerlendirilmesi

Abstract

Su kaynaklarının orantısız dağılımı, nüfus artışı, endüstriyel faaliyetler ve küresel ısınma, global ve ulusal ölçekte su kıtlığı problemini hissedilir hale getirmektedir ve bunun yanında su kaynaklarının kirlenmesine neden olmaktadır. İçme suyu arıtımında uygulanan membran prosesler konvansiyonel sistemlere kıyasla daha az yer kaplamaları, neredeyse hiç kimyasal ihtiyacının olmaması, daha kaliteli çıkış suyu eldesi vb. gibi avantajara sahiptir. Bu çalışmada nanoparçacık içeren membranların üretimi için polisülfon polimeri içeren katkısız membran çözeltisi içine dört farklı konsantrasyonda (% 0.01; % 0.05; % 0.2; % 0.5) TiO2 (10-30 nm dış çapında) ve çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT)(20-30 nm dış çapında) ilave edilerek dokuz farklı ince boşluklu (hollow fiber (HF)) ultrafiltrasyon (UF) membranı üretilmiştir. Üretilen membranların karakterizasyonu, SEM, yüzey pürüzlülüğü, yüzey yükü, temas açısı, mekanik dayanımı, FTIR, vizkozite ölçümleri ile performans sonuçları ise saf su geçirgenliği, protein giderimi ve antitıkanma özellikleri ile belirlenmiştir. Nanoparçacık katkısız ve katkılı membranlar aynı membran dökme parametreleri kullanılarak üretilmiştir ve kullanılan nanoparçacıkların membranların özellikle geçirgenlik, mekanik dayanım ve antitıkanma özellikleri üzerine etkisi olacağı düşünüldüğünden hem konsantrasyon hem de nanoparçacık çeşidi açısından karşılaştırılmıştır. TiO2 eklentisi her konsantrasyon için membranların ayırma performansını arttırmıştır. ÇDKNT eklentisi ise beklendiği üzere membranların mekanik dayanımlarının artmasında etkili olmuştur. Deneysel verilerin saf membrana göre değerlendirilebilmesi için geçirgenlik, Young modülü, BSA giderimi ve geri dönüştürülebilir tıkanmanın geri dönüştürülemez tıkanmaya oranı verileri kullanılarak normalize edilmiştir. Sonuçlar bir bütün olarak değerlendirildiğinde yapılan bu çalışmada saf membrana kıyasla membran performansını % 0.2 TiO2 nanoparçacık katkısı ile üretilen membranlarda 5.2 kat, % 0.05 ÇDKNT katkısı ile üretilen membranlarda ise 3.2 kata kadar arttırdığı görülmüştür.

Water is not distributed equally throughout the world. Population growth, industrial activities and global warming result in water shortage at global and national scale as well as water pollution. Membrane technologies are advantageous to conventional drinking water treatment methods in terms of small footprint, less amount of chemical requirement, higher water discharge quality etc. In this work, nanocomposite ultrafiltration (UF) hollow fiber (HF) membranes were produced by adding TiO2 (10-30 nm outer diameter) and MWCNT (20-30 nm outer diameter) at four different concentrations (% 0.01; % 0.05; % 0.2; % 0.5) into pristine (polysulfone) dope solution. Membrane characterizations were done by SEM, surface roughness and charge, contact angle, dynamic mechanical analysis, FTIR, viscosity measurements and membrane performance were determined by pure water permeability, protein removal efficiency and antifouling experiments. Pristine and nanocomposite membranes were fabricated for comparison using the same membrane spinning parameters and due to the use of different nanoparticles having different properties, especially membrane properties of permeability, mechanical strength and antifouling properties were compared. The TiO2 additive increased the separation performance of the membranes for each concentration. The MWCNT additive has been effective in increasing the mechanical strength of the membranes as expected. Water permeability, Young's modulus, BSA removal efficiency and reversible fouling / irreversible fouling ratio data have been normalized for comparison with the pristine membranes. When the results which are obtained from this study evaluated as a whole showed that 0.2 wt.% TiO2 and 0.05 wt.% MWCNT added membranes improved membrane performance 5.2 and 3.2 times regarding pristine membrane, respectively.